摘要
随着广播式自动相关监视(ADS-B)技术的发展与广泛应用，国外涌现出许多ADS-B设备研制商，开发出多种应用于不同平台、具有不同功能构型的ADS-B产品。从搭载平台与功能构型两个视角出发，对国内外机载ADS-B产品进行分类；分析航线飞机、通航飞机以及无人机载ADS-B产品的功能与技术特点，并针对当前ADS-B系统面临航空器监视应用开发、安全性、密集干扰环境下接收增强、1090ES链路扩容等难点问题，分析讨论技术途径并提出发展建议。
引言
广播式自动相关监视(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，简称ADS-B)系统把源自机载卫星导航、飞行管理等系统的多维信息(包括位置、速度、识别码、意图等)通过数据链自动广播发送，为监视者提供了一种高精度低成本的监视方式。ADS-B系统可以为飞行员与监管者提供空地一致的情景意识，优化解决交通冲突，提高飞行安全水平；可以辅助实现更优化的进近与爬升程序，提升航班运行效率。ADS-B技术被认为是下一代空中监视以及未来自由飞行理念的基石。
ADS-B 正在迅速成为新的全球空中交通管理标准，已在全球主要区域开始实施。美国联邦航空局已强制要求自2020年1月1日起，在美国运行的航空器需要具备ADS-B发射功能。欧洲航空安全局要求自2020年6月7日起，在欧洲地区运行的航空器需要具备ADS-B发射功能。中国民航ADS-B OUT系统于2019年7月1日开始全面运行，并且中国民航总局要求，要在2022年12月31日前完成满足RCTA DO-260B标准的ADS-B设备加改装。
随着ADS-B技术的发展与广泛应用，国外研制了许多应用于不同平台、具有不同功能构形的ADS-B产品。本文对国外主流机载ADS-B产品进行分类，分析这些产品的技术与功能特点；针对ADS-B系统面临的基于ADS-B航空器监视应用开发、信息安全性、密集干扰环境下接收增强、链路扩容等问题，分析讨论相关技术途径，提出一些技术发展建议，以期为国内产品研制提供有益借鉴。
ADS-B产品分类
从应用平台来看，ADS-B产品包括地面站、机载、车载以及星载产品。其中，地面设备主要以ADS-B接收站为主；机载平台、车载平台都有比较成熟的ADS-B发射与接收产品；星载ADS-B产品主要是ADS-B接收机。本文重点关注机载ADS-B产品，其分类如图1所示。
图1 机载ADS-B产品分类
从图1可以看出：从应用平台来看，机载ADS-B产品可以粗略分为面向航线飞机的ADS-B产品、面向通用航空飞机的ADS-B产品以及面向无人机的ADS-B产品；从功能构型视角来看，机载ADS-B产品又可以分为独立ADS-B接收机、ADS-B发射机以及ADS-B 收发机。
分别从载机类型与功能构型两个视角对机载ADS-B产品进行分类，如表1所示。
表1 机载ADS-B主要产品
按载机平台分类
1) 面向航线飞机的ADS-B产品
目前，航线飞机的ADS-B相关产品大都被Rockwell Collins、Honeywell、ACSS等主流供应商垄断。这些公司多通过对现有S模式应答机的升级来实现ADS-B发射功能；通过对交通防撞和告警系统(Traffic Alert and Collision Avoidance System，简称TCAS)进行升级实现ADS-B接收功能。具有ADS-B发射功能的主流产品有：Honeywell公司的TRA-100B应答机、Rockwell Collins公司的TPR-901应答机、ACSS公司的NXT-600/700/800系列应答机。具有ADS-B接收功能的产品有：Honeywell公司的AESS，ACSS公司的T3CAS等，如图2所示。
图2 三大国外厂商综合监视产品示意图
2) 面向通用航空飞机的ADS-B产品
在通航领域，提供ADS-B产品与解决方案的厂商众多，包括L3Harris、FreeFlight、BendixKing、uAvionix、Garmin等。由于通航飞机种类多，应用场景多样，其产品功能构型也比较多，包括独立的接收机、发射机以及一体化收发机。具有代表性的产品有：BendixKing公司研制的KGX-130/150接收机；Garmin公司的GTX 335/345收发机的价格仅2 295美金，市场竞争力极强；uAvionix公司研制的tailBeaconX发射机(如图3所示)；L3Harris公司研制的NGT-2000/2500、NGT-9000系列一体化收发机。其中，uAvionix公司研制的tailBeaconX发射机非常有特点，它集成了广域增强GPS接收机与航行灯，结构设计非常巧妙，可以方便地安装于飞机尾垂的航行灯位置，原位替换原航行灯。
图3 面向通航的ADS-B发射产品tailBeaconX
(3) 面向无人机的ADS-B产品
在无人机ADS-B产品领域，uAvionix公司推出了多款轻巧且集成度很高的ADS-B产品，包括ADS-B接收机PingRx、ADS-B发射机ping-200SR；ADS-B 一体化收发机Ping2020i与Ping-1090i等。其中Ping1090i(如图4所示)仅重26 g，支持1 090与978 MHz双频接收，1 090 MHz发射，集成了广域增强GPS接收机与气压高度表。
图4 面向无人机的ADS-B收发机Ping1090i
按功能构型分类
从功能构型来看，ADS-B产品可分为以下三类：
(1) ADS-B接收
独立的ADS-B接收机主要应用于通用航空与无人机，大多支持1 090与978 MHz双频段接收，比较有代表性的产品包括BendixKing公司的KGX-130/150、Freelight公司的FDL-978-RX、uAvionix公司的plugUSB接收机等。这些接收机十分轻巧、集成度高、价格便宜，可以通过无线网络与智能手机、平板电脑交联，信息可以在第三方软件上直观显示，只要很小的代价就可以极大地增强飞行员对周边交通态势的感知能力。
(2) ADS-B发射
ADS-B发射机按频段可以分为978与1 090 MHz两种，工作于978 MHz的ADS-B发射机主要面向美国通用航空飞机；工作于1 090 MHz的ADS-B发射机其应用范围广。为了防止1090ES链路拥堵与干扰，独立的、不与应答机集成的ADS-B发射机类型与应用场景受到了约束，因此，主流的工作于1 090 MHz的ADS-B发射机大多与应答机集成。面向航线飞机的典型产品有TRA-100B、TPR-901、NXT-800等；面向通航飞机的产品有BendixKing公司研制的KT74应答机、Freelight公司研制的FDL-1090-TX等。面向通航飞机的ADS-B发射产品大都集成了广域增强GPS接收机、气压高度表等，安装方便、性价比高。
(3) ADS-B一体化收发机
该构型集成ADS-B发射与接收功能，主要应用于通用航空与无人机，集成广域增强GPS接收机与气压高度表，大都支持1 090与978 MHz双频接收；发射机一般都有多种配置，可工作于978或1 090 MHz。L3Harris公司针对通航飞机开发了NGT-9000多功能收发机，支持双频接收，可以获取交通、飞行与气象信息；发射机工作于1 090 MHz，与S模式应答机集成。uAvionix公司针对无人机开发了Ping1090i与Ping2020i系列收发机，两者都支持1 090与978 MHz双频接收，其中，Ping2020i发射机工作于978 MHz，Ping1090i发射机工作于1 090 MHz频段。
机载ADS-B系统技术特点
总体而言，面向航线飞机、通航飞机与无人机的ADS-B产品具有各自不同的技术特点。
对于航线飞机而言，其ADS-B发射功能多通过对已装备的S模式应答机、GPS位置源进行软硬件升级或替换来实现。比如Rockwell Collins针对波音与空客系列飞机，把原TPR-900应答机升级到TPR-901，把原GPS接收机GPS-4000升级到GPS-4000S，就可以满足DO-260B要求。同时，航线飞机又把S模式应答机、TCAS系统、地形提示和告警系统(Terrain Awareness Warning System,简称TAWS)进一步集成，形成交通监视系统，如ACSS公司T3CAS系统、Honeywell公司SmartTraffic交通监视系统。最终，交通监视系统又与气象雷达系统集成构成了综合监视系统，如图5所示，它们的特点是继承性很强，综合性很强，技术壁垒很大。
图5 Honeywell综合监视系统
通航飞机种类多，应用场景差异大，因此，其ADS-B产品构型也比较多，涵盖独立的接收机、发射机以及一体化接收机。通航飞机ADS-B产品关注系列化设计、集成化设计、结构与功能一体化设计；同时，非常重视与第三方软硬件的交互，一般都可以方便地与平板电脑、智能手机互联，各种交互式信息可以直接在第三方应用软件(例如ForeFlight、Avare)上显示。
无人机ADS-B产品更加关注高集成度、轻量化、低成本设计，大都支持1 090与978 MHz双频接收，并且带有与自动驾驶软件交联的接口，支持“自动感知与规避”功能，能够自主感知周边空中交通信息，自主规避，从而保障空域安全。
问题及发展趋势
随着ADS-B系统应用越来越广泛，其面临的支持ADS-B的监视应用开发、安全性、密集干扰环境下增强接收、1090ES链路扩容等问题也越来越受到关注，本节对上述问题及潜在技术途径进行深入分析，并提出技术发展建议。
支持ADS-B的航空器监视应用
基于ADS-B优质的监视数据链，航空器可以接收其他航空器发送的ADS-B OUT信息或地面服务设施发送的信息，为驾驶员提供运行支持。其中最典型的应用是机组通过驾驶舱交通信息显示设备(CDTI)获知其他航空器的运行状况，从而提高驾驶员的空中交通情景意识。
支持ADS-B的航空器监视应用仍在进一步发展中，现阶段主要包括基本型状态感知类、增强型状态感知类和驾驶舱间隔管理类等。主要分类包括：
(1) 基本型状态感知类：空中态势感知(Airborne Situational Awareness,简称ATSA-AIRB)、目视间隔进近(Visual Separation on Approach,简称ATSA-VSA)、CDTI辅助目视间隔(CDTI Assisted Visual Seperation,简称CAVS)、航迹中程序(In-Trail Procedure,简称ATSA-ITP)、机场场面态势感知(Situational Awareness on Airport Surface,简称ATSA-SURF)。
(2) 增强型状态感知类：支持告警交通情景意识(Traffic Situation Awareness with Alerts，简称TSAA)、支持指引和告警的机场场面态势感知(Enhanced Traffic Situational Awareness on the Airport Surface with Indications and Alerts，简称SURF IA)。
(3) 间隔管理类：空中间距(Airborne Spacing,简称ASPA-FIM)、指定间隔(Delegated Separation)、自主间隔(Self-Separation)。
支持ADS-B的航空器监视应用划分如图6所示。
图6 支持ADS-B的航空器监视应用划分
ADS-B作为下一代监视的基石，部分应用独立于地面系统和空管系统，但大部分应用还是基于或与空管有密切联系的。未来的发展方向是监视、导航和通信综合的新航行系统，因此将来更多的应用需要结合通信、导航才能发挥最大效益。ADS-B应用需要确保不影响空域的运行安全，故都应建立在大量实验和实际运行的基础上。支持ADS-B的航空器监视应用仍在发展中，随着制度和标准的不断完善，其应用范围将会更加广泛。
ADS-B安全性提升
由于历史与现实多方面原因，ADS-B采用开放、共享和广播式架构，其协议也是公开的，这些特点虽然极大地促进了商业应用，但也带来了一些问题，这些问题不仅是地面单方面的问题，机载ADS-B系统作为空空和空地监视数据链最关键的一方，也对机载系统提出了极大的挑战，具体问题如表2所示。
(1) 易被蓄意接收监听。由于ADS-B协议是公开的，信息也没有加密，采用简单的无线电设备就可以接收到飞机的身份、位置与速度等信息，这些信息可能会被非法用于后续恶意攻击，带来很大的安全隐患。
(2) 易被人为电子干扰。人为电子干扰是指在特定区域，通过辐射大功率同频段干扰信号，导致ADS-B接收前端饱和、ADS-B报头脉冲提取困难、ADS-B信息解码错误等一系列问题，造成地面或机载ADS-B接收功能下降或丧失，严重影响空空、空地监视链路的正常运行。
(3) 易被恶意欺骗篡改。信息欺骗篡改是指通过发射与ADS-B消息类似的虚假消息、接收篡改飞机ADS-B消息相关字段等手段，致使空管人员或者机载接收方接收到虚假或错误信息，造成决策错误，这将对航空安全带来非常严重的威胁。
表2 ADS-B面临问题分析
针对以上信息安全问题，总体而言，可以采用以下三个途径提升ADS-B系统信息安全。
(1) 基于外部系统的ADS-B信息验证。基于外部系统的信息验证是指采用一次雷达、二次雷达、多点定位等外部系统获得目标信息来对ADS-B信息进行验证，可以在很大程度上剔除虚假的ADS-B目标。
(2) ADS-B数据真实性独立校验。ADS-B数据独立校验指接收端对接收到的ADS-B信息进行完好性与真实性校验，剔除非法的虚假信息。此方法可以不依赖外部系统，实现代价低，具有很高的工程实用价值。当前，主要技术手段包括：基于Kalman滤波的航迹突变检测；意图校验，即验证ADS-B消息中意图字段是否与目标的滤波航迹相关匹配；ADS-B消息中导航不确定类别参数校验；另外，还可以通过验校回波信号幅度、多普勒频移、时延等参数与发射机位置及速度的符合性来确认发射机的合法性。
(3) 身份认证技术。ADS-B身份认证包括指纹特征认证与基于密钥的身份认证。指纹特征认证利用发射机在辐射电磁指纹、时钟偏移等方面特征差异辨识非法发射机。
密集干扰环境下的接收增强
由于ADS-B与二次雷达、TCAS、多点定位、敌我识别等多个系统共用1090ES链路，该频段非常拥挤，容易受到同频干扰；同时，随着航空器数目持续增长，各种应答信号、ADS-B信号密度会进一步增加，地面及空中ADS-B接收机将面临着密集的异步虚假应答信号(False Replies Unsynchronized with Interrogator Transmissions, 简称FRUIT)以及窜扰。
FRUIT是指其他询问机触发的非期望应答信号，包括A/C模式FRUIT与S模式FRUIT，ADS-B接收机需要应对的FRUIT密度可达到40 000次/秒。窜扰是指一个询问机触发的多个目标应答信号交叠；不同目标的ADS-B信号也会时域交叠窜扰，彼此难以分离。由于独立于应答机的ADS-B发射机被限制，数目相对很少，ADS-B信号彼此窜扰的情形也可以归类到S模式FRUIT类别中。影响ADS-B接收性能的主要因素是密集FRUIT干扰信号。
对于空中ADS-B接收机而言，由于空间体积等代价约束，基本上都是单通道接收体制，主要通过对传统方法进行优化升级来实现接收增强。主要的优化手段有：基于匹配滤波的信噪比增强技术，通过自相关接收提高回波信噪比；同步脉冲回波强度一致性检验技术，通过检验四个同步脉冲强度是否一致来判决是否被干扰；基于多采样点分析的数据位及其置信度提取技术；全信息误差检测与纠错技术，提升多个异步干扰条件下的纠错能力。
1090ES链路扩容
随着ADS-B应用进一步发展与成熟，不仅需要传输位置、速度、识别与意图等信息，还有传输飞行情报、实时气象等多种信息的需求，这对1090ES链路容量提出了很高的要求。因此，提升1090ES链路容量成了广受关注的课题。目前，提升1090ES链路容量的途径主要有：
(1) 增加广播频次。当前ADS-B的信号发送频率要求不超过每秒6.2次，每帧信息为112 bit，对应的传输速率不超过694 bit/s。虽然增加广播频次，传输速率会成倍提升，但是会带来比较严重的信号重叠干扰，特别是当空中目标较多时，不同飞机ADS-B信号重叠概率也会急剧增大，导致后续报头检测、信息解码等处理困难。
(2) 信号中增加相位调制。当前，1090ES链路采用相对简单的脉冲位置调制与脉冲幅度调制，载波相位连续，没有携带任何信息，传输效率不高。可以通过增加相位调制的方式，如二相调制、四相调制、八相调制等，提高信息传送速率。如果采用八相调制，每个比特位将增加3 bit信息，每一帧将增加336 bit信息，传输速率将最大提升2.083 kbit/s。通过相位调制可以在不增加信号重叠干扰的条件下扩充链路容量，但是，也带来了一些新问题，比如相位突变导致的谱频扩展抑制、接收端载频同步、链路扩容后信息编码与校验、传输位数增加后字段定义等还有待进一步研究与验证。
未来发展趋势
美国联邦航空局已于2020年1月强制要求相应航空器具备ADS-B发射功能；欧洲与中国航空局也陆续推行了ADS-B OUT的运行。在此背景下，ADS-B产品研制将迎来非常好的发展机遇。在技术发展方面，支持ADS-B的航空器监视应用将不断开发和完善，ADS-B信息安全将会越来越受到关注，ADS-B数据独立校验技术、身份认证技术可以不依赖雷达、多点定位等相对昂贵的外部系统，是比较有前景的解决方案。
针对密集FRUIT环境下接收增强问题，一方面可以通过精细化处理算法提升接收性能；另一方面，可进一步研究低成本、多通道接收架构，通过自适应阵列处理提升抗干扰能力。
针对1090ES链路扩容，在信号中增加相位编码提高传送速率是一种比较有前景的方法，但需要进一步解决链路扩容后信息编码与校验、传输位数增加后字段定义等新问题。
结束语
本文对国外主流ADS-B产品进行了梳理，对典型产品技术特点进行分析后发现：美国针对航线飞机、通航飞机以及无人机需求，已经成体系地研制了功能多样的ADS-B产品，形成了较为完备的产品谱系；而国内机载ADS-B产品仍然很少，存在较大的差距，需要依据不同平台的特定需求，有层次地开展相关产品研制。对运输类飞机而言，ADS-B发射与接收功能大都通过原有应答机、TCAS系统升级获得，这些交通监视系统又与气象雷达综合，形成综合监视系统，技术门槛很高，国内厂商需要顶层策划、通力合作才能推出有竞争力的产品。对通用飞机和无人机而言，门槛相对较低，国内厂商可以针对一些细分市场与特定平台，研制高集成度、结构巧妙、安装便捷灵活的ADS-B产品。
文章来源《航空工程进展》
作者：邓晓波，王飞，杨光曜
作者单位：中国航空工业集团有限公司 雷华电子技术研究所
